DE10118743A1 - Overcurrent protection for controllable semiconductor switch with heat-sink, reduces gate-emitter voltage until heat generated is less than thermal capacity of heat-sink - Google Patents
Overcurrent protection for controllable semiconductor switch with heat-sink, reduces gate-emitter voltage until heat generated is less than thermal capacity of heat-sinkInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überstrom schutz eines steuerbaren Halbleiterschalters, der mit einem Kühlkörper mit einem bestimmten Wärmeableitvermögen Wa ver bunden ist, sowie auf eine zugehörige Schaltung.The invention relates to a method for overcurrent Protection of a controllable semiconductor switch, which with a Heatsink with a certain heat dissipation capacity Wa ver is bound, as well as on an associated circuit.
Bei Einsatz von SI-Transistor-Halbleiterschaltern in Strom kreisen mit hoher Kurzschlussleistung besteht die Gefahr ei ner Zerstörung des Halbleiterschalters, wenn die Lastimpedanz infolge eines Kurzschlusses oder eines Überlastbetriebszu standes absinkt und in Folge ein hoher Strom durch den Halb leiterschalter fließt. SI-SIC-Transistor-Halbleiterschalter, z. B. IGBT-, MOS-Transistoren in antiserieller Schaltung, wei sen eine Ausgangskennlinie IC = f (UCE) mit einem Sättigungs strom ICsat gemäß Fig. 1 auf, wobei UGE die Gate-Emitter-Span nung ist. Daher wird beim Auftreten eines Kurzschlusses der Strom auf den Sättigungsstrom ICsat begrenzt. Die Spannung am Halbleiterschalter wird während des Ausschaltvorganges entwe der durch Clamping, wie in der DE 196 12 216 A1 beschrieben, oder durch ein parallel zum Halbleiterschalter abgeordnetes, überspannungsbegrenzendes Element, z. B. Varistor, Ableiter oder Zenerdiode begrenzt.When using SI transistor semiconductor switches in circuits with high short-circuit power, there is a risk of the semiconductor switch being destroyed if the load impedance drops as a result of a short-circuit or overload mode and as a result a high current flows through the semiconductor switch. SI-SIC transistor semiconductor switches, e.g. B. IGBT, MOS transistors in antiserial circuit, white sen an output characteristic I C = f (U CE ) with a saturation current I Csat according to FIG. 1, wherein U GE is the gate-emitter voltage. Therefore, if a short circuit occurs, the current is limited to the saturation current I Csat . The voltage at the semiconductor switch is either during the switch-off process by clamping, as described in DE 196 12 216 A1, or by an overvoltage-limiting element arranged in parallel with the semiconductor switch, e.g. B. varistor, arrester or zener diode limited.
Wegen der hohen Werte für den Sättigungsstrom ICsat und die Begrenzungsspannung nimmt die im Transistor umgesetzte Leis tung einen derart hohen Wert an, dass dieser Zustand in nur wenigen µ-Sekunden zu einer Zerstörung des Halbleiterschal ters führt.Because of the high values for the saturation current I Csat and the limiting voltage , the power implemented in the transistor takes on such a high value that this state leads to destruction of the semiconductor switch in only a few μ seconds.
Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass der Kurz schluss durch ein extrem schnelles Kurzschlusserkennungsver fahren mit Auswertung der Kollektor-Emitter-Spannung ermit telt und innerhalb weniger µ-Sekunden abgeschaltet wird. So far, this problem has been solved by the short short-circuit detection by an extremely fast drive with evaluation of the collector-emitter voltage and is switched off within a few µ seconds.
Nachteilig ist hier insbesondere, dass z. B. beim Auftreten von Störungen wie pulsförmigen Überspannungen die Gefahr ei ner Fehlauslösung groß ist bzw. dass zusätzlich schnelle Hochspannungsdioden eingesetzt werden müssen.A particular disadvantage here is that e.g. B. when it occurs the risk of interference such as pulse-shaped overvoltages ner false trigger is large or that additionally fast High voltage diodes must be used.
Aus der EP 1 044 502 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem während des Abschaltens eines ohmsch-induktiven Lastkreises mittels SIC-JFET's die Gate-Source-Spannung UGS in Abhängig keit vom Laststrom so geregelt wird, dass die am Bauelement abfallende Spannung den maximal möglichen Wert annimmt und damit eine strombegrenzende Ausschaltung herbeigeführt wird. Die zitierte Anmeldung trifft jedoch keine Vorkehrungen, um eine Zerstörung des Halbleiters während der Ausschaltung zu verhindern und eine Wiedereinschaltung bei andauernden Vor liegen des Überlast- oder Kurzschlussfalles zu verhindern.From EP 1 044 502 A1 a method is known with which the gate-source voltage U GS is regulated in dependence on the load current during the switching off of an ohmic-inductive load circuit by means of SIC-JFETs in such a way that the voltage drop across the component assumes the maximum possible value and thus a current-limiting switch-off is brought about. The cited application does not, however, take any precautions to prevent the semiconductor from being destroyed during the switch-off and to prevent it from being switched on again if the overload or short-circuit case is present.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung anzugeben, die es erlauben alle gefähr lichen Betriebszustände selbsttätig zu beherrschen, wobei ei ne selbständige Strombegrenzung bei Überlast, Impulsstörung und Kurzschluss erfolgt, und keine Überwachung der Kollektor- Emitter-Spannung UCE des Halbleiterschalters erforderlich ist.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a circuit which allow all dangerous operating states to be controlled automatically, ei ne independent current limitation in the event of overload, pulse disturbance and short circuit, and no monitoring of the collector-emitter voltage U CE of the semiconductor switch is required.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überstrom
schutz mit folgenden Schritten gelöst:
The first task is solved by a method for overcurrent protection with the following steps:
- a) Der über den Halbleiterschalter fließende Strom IC wird gemessen und ausgewertet unda) The current I C flowing through the semiconductor switch is measured and evaluated and
- b) bei Erreichen eines vorher bestimmten Auslösewerts infolge eines Überstroms wird die Gate-Emitter-Spannung UGE und damit der Sättigungsstrom ICsat über den Halbleiterschalter durch eine Steuerung soweit verringert, dass im Halblei terschalter die durch die Verlustleistung zugeführte Wärme V so gering ist, dass sie gleich oder kleiner als das Wär meableitvermögen Wa des Kühlkörpers ist.b) when a predetermined trigger value is reached as a result of an overcurrent, the gate-emitter voltage U GE and thus the saturation current I Csat via the semiconductor switch is reduced by a controller to such an extent that the heat V supplied by the power loss is so low in the semiconductor switch, that it is equal to or less than the heat dissipation capacity Wa of the heat sink.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind den Un teransprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.Advantageous further developments of this method can be found in the sub-claims 2 to 5 .
Die weitere Aufgabe wird durch eine Schaltung mit einem Halb leiterschalter und einer mit diesem verbundenen Steuerung ge löst, die bei Erreichen eines Auslösewerts aufgrund einer bei Überstrombelastung erfolgten Strommessung die Gate-Emitter- Spannung UGE und damit den Sättigungsstrom ICsat über den Halb leiterschalter soweit verringert, dass im Halbleiterschalter die durch die Verlustleistung zugeführte Wärme V so gering ist, dass sie gleich oder kleiner als das Wärmeableitvermögen Wa eines mit dem Halbleiterschalter verbundenen Kühlkörpers ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:The further object is achieved by a circuit with a semi-conductor switch and a control connected to it, the gate emitter voltage U GE and thus the saturation current I Csat via the semi-conductor switch so far when a trigger value is reached due to a current measurement under overcurrent reduces that in the semiconductor switch the heat V supplied by the power loss is so low that it is equal to or less than the heat dissipation capacity Wa of a heat sink connected to the semiconductor switch. An embodiment of the invention is explained below with reference to a drawing. Show it:
Fig. 2 eine antiserielle Schaltung von zwei Transistorhalb leiterschaltern und Fig. 2 shows an antiserial circuit of two transistor semiconductor switches and
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Halbleiterschalter mit zuge höriger Steuerung und Fig. 3 shows a semiconductor switch according to the invention with associated control and
Fig. 4 beispielhaft die Zerstörungskennlinie eines Halb leiterschalters Fig. 4 shows an example of the destruction characteristic of a semi-conductor switch
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überstromschutz eines steuerbaren Halbleiterschalters wird davon ausgegangen, dass mit dem Halbleiterschalter ein Kühlkörper mit einem bestimm ten Wärmeableitvermögen Wa verbunden ist. Es wird der über dem Halbleiterschalter fließende Strom IC nach bekannten Ver fahren, z. B. mittels Stromwandler oder Stromspiegel gemessen.In the method according to the invention for overcurrent protection of a controllable semiconductor switch, it is assumed that a heat sink with a certain heat dissipation capacity Wa is connected to the semiconductor switch. It will drive the current flowing through the semiconductor switch I C according to known United, z. B. measured by means of current transformers or current mirrors.
Fig. 2 zeigt zwei antiseriell geschalteter Halbleiterschalter 1 mit jeweils einem Kollektoranschluss C, einem Gate-An schluss G und einem Emitter-Anschluss E. Zur Strommessung dienen hier die Wandler W. Fig. 2 shows two anti-serially connected semiconductor switches 1 each having a collector terminal C, a gate circuit G and to an emitter terminal E. At the current measurement are used here, the transducer W.
Die alternative Strommessung mittels Stromspiegel erfolgt, in dem man sich durch Messung des Stromes über einen zusätzli chen Emitter des Halbleiterschalters mit einem Shunt ein Abbild des Stromes IC über den gesamten Halbleiterschalter ver schafft.The alternative current measurement by means of a current mirror is carried out by creating an image of the current I C over the entire semiconductor switch by measuring the current through an additional emitter of the semiconductor switch with a shunt.
Der über einen Wandler W gemessene Strom IC wird gemäß Fig. 2 einer Steuerung S zugeführt, und von dieser ausgewertet. Die Steuerung S ist mit dem Gate-Anschluss G des Halbleiterschal ters verbunden. Bei Erreichen eines vorher bestimmten Auslö sewertes infolge eines Überstroms verringert die Steuerung S mit Hilfe eines nachgeschalteten Transistors T die Gate- Emitter-Spannung UGE und damit den über den Halbleiterschal ter fließenden Sättigungsstrom ICsat soweit, dass die den Halbleiterschalter durch die Verlustleistung zugeführte Wärme V so gering ist, dass sie gleich oder kleiner als das Wärme ableitvermögen Wa des Kühlkörpers ist.The current I C measured via a converter W is fed to a controller S in accordance with FIG. 2 and evaluated by the latter. The controller S is connected to the gate terminal G of the semiconductor switch. When a predetermined trigger value is reached as a result of an overcurrent, the controller S uses a downstream transistor T to reduce the gate-emitter voltage U GE and thus the saturation current I Csat flowing through the semiconductor switch to such an extent that the heat supplied to the semiconductor switch by the power loss V is so small that it is equal to or less than the heat dissipation capacity Wa of the heat sink.
Hinsichtlich der Wahl des Auslösewerts gibt es folgende Mög lichkeiten.With regard to the selection of the trigger value, there are the following options opportunities.
Als Auslösewert kann ein bestimmter Strommomentanwert IC = Ithres Verwendet werden, d. h. bei Erreichen dieses Strommomen tanwerts wird die Gate-Emitter-Spannung UGE wie zuvor be schrieben verringert. Der Strommomentanwert Ithres muss einer seits kleiner sein als der von der Safe operating area des Halbleiterschalters unter Berücksichtigung der Verzögerungs zeit der Steuerung S sowie der Ausräumzeit der Gate-Ladungs träger vorgegeben und andererseits kleiner als der laut Da tenblatt uneingeschalteten Zustand ohne Kurzschluss dauerhaft führbare Kollektorstrom IC.A certain current instantaneous value I C = I thres can be used as the trigger value, ie when this current instantaneous value is reached, the gate-emitter voltage U GE is reduced as previously described. The current instantaneous value I thres must on the one hand be smaller than that specified by the safe operating area of the semiconductor switch, taking into account the delay time of the control S and the clearing time of the gate charge carriers, and on the other hand smaller than the collector current that can be permanently operated without a short circuit according to the data sheet I C.
Die Steuerung S enthält im einfachsten Fall einen Komparator 2 gemäß Fig. 3 und einen ausgangsseitig angeschlossenen Tran sistor T. Am Eingang des Komparators 2 ist ein veränderbarer Widerstand 3 zur Einstellung eines Referenzwerts angeschlos sen. Dem weiteren Eingang des Komparators 2 wird der gemes sene Strom IC zugeführt. Erreicht der Strom IC den einge stellten Referenzwert wird der Transistor T am Ausgang des Komparators 2 aufgesteuert, wodurch die Gate-Emitter-Spannung UGE verringert wird.In the simplest case, the controller S contains a comparator 2 according to FIG. 3 and a transistor T connected on the output side. A variable resistor 3 for setting a reference value is connected to the input of the comparator 2 . The measured input current I C is fed to the further input of the comparator 2 . If the current I C reaches the set reference value, the transistor T is turned on at the output of the comparator 2 , as a result of which the gate-emitter voltage U GE is reduced.
Alternativ kann der Strom soweit verringert werden, dass ei nerseits die Zeit vorhanden ist, um einen Kurzschluss ein deutig zu erkennen und andererseits der Halbleiterschalter doch noch rechtzeitig vor seiner Zerstörung abgeschaltet wird. Durch diese Erfindung sind umfangreiche Funktionen mög lich bzw. ungewünschte Schaltzustände können vermieden wer den. Bei Rushströmen wird der Strom kurz auf Ithres begrenzt. Nach dem Abklingen des Rushstromes geht der Schalter wieder in seinen volldurchgeschalteten Zustand über, d. h. die Anlage kann ohne Pause weiterlaufen und eine Wartung ist ebenfalls nicht notwendig.Alternatively, the current can be reduced so that ei Secondly, there is time to short-circuit clearly recognizable and on the other hand the semiconductor switch switched off just in time before its destruction becomes. Extensive functions are possible with this invention Lich or unwanted switching states can be avoided the. In the case of rush currents, the current is briefly limited to Ithres. After the rush current has subsided, the switch returns in its fully connected state, d. H. the attachment can continue without a break and maintenance is also required unnecessary.
Alternativ kann als Auslösewert ein Energiesignal dienen, das durch Multiplikation von Strom und am Halbleiter abfallender Spannung mit abschließender zeitlicher Integration gebildet wird. Der Energiegrenzwert wird durch die Safe-Operating-Area des Halbleiterschalters unter Berücksichtigung der Verzöge rungszeit der Steuerung 5 sowie der Ausräumzeit der Gate- Ladungsträger und durch die noch zum Abschalten notwendige Energie bestimmt. Zur Messung der am Halbleiterschalter 1 ab fallenden Spannung UCE erfolgt ein Abgriff 4 am Kollektor C. Die Steuerung S wird hierzu mit einem Mikroprozessor aus gestattet, der die hierzu erforderlichen Rechenoperationen ausführt und bei Erreichen des Auslösewerts den Transistor T steuert.Alternatively, an energy signal can be used as the trigger value, which is formed by multiplying current and voltage drop across the semiconductor with subsequent time integration. The energy limit value is determined by the safe operating area of the semiconductor switch, taking into account the delay time of the controller 5 and the clearing time of the gate charge carriers, and by the energy still required for switching off. To measure the voltage U CE falling at the semiconductor switch 1 , there is a tap 4 at the collector C. For this purpose, the controller S is equipped with a microprocessor, which carries out the necessary arithmetic operations and controls the transistor T when the trigger value is reached.
Eine weitere Alternative für den Auslösewert ist durch Bil dung eines Strommomentanwerts gegeben, der sich aus der Aus lösekennlinie von Schaltgeräten, z. B. 12 ICN ergibt, wobei ICN der Strom im fehlerlosen Betrieb ist.Another alternative for the tripping value is given by forming an instantaneous current value, which results from the tripping characteristic of switching devices, for. B. 12 I CN results, where I CN is the current in error-free operation.
In Fig. 4 ist beispielhaft die Zerstörungskennlinie 5 eines Halbleiterschalter bei konstanter Gate-Emitter-Spannung UGE dargestellt, wobei auf der Abszisse der Strom IC durch den Halbleiterschalter und auf der Ordinate die Zeitdauer t auf getragen ist. Um den Halbleiterschalter vor Überlast zu schützen, wird in dem Bereich bis z. B. 12 ICN abhängig von einer Zeit-Strom-Auslöskennlinie 6 abgeschaltet. Dagegen wird in dem Bereich darüber, d. h. bei Kurzschluss, nicht abge schaltet, sondern wie oben beschrieben, die Gate-Ermitter- Spannung UGE derart reduziert, dass im Halbleiterschalter die durch die Verlustleistung zugeführte Wärme V so gering ist, dass sie kleiner oder gleich der über den Kühlkörper abge führten Wärme W ist und damit dieser Zustand dauernd vorlie gen kann, ohne dass eine Zerstörung des Halbleiterschalters auftritt. Dies bedeutet, dass sich die Erfindung auf den Kurzschlussfall bezieht.In FIG. 4 the destruction characteristic 5 is a semiconductor switch with a constant gate-emitter voltage U GE exemplified, with the abscissa representing the current I C through the semiconductor switch and on the ordinate the amount of time t is carried on. To protect the semiconductor switch against overload, is in the range up to. B. 12 I CN switched off depending on a time-current tripping characteristic 6 . In contrast, in the area above, ie in the event of a short circuit, it is not switched off but, as described above, the gate-emitter voltage U GE is reduced in such a way that the heat V supplied by the power loss is so low in the semiconductor switch that it is less than or equal to the heat dissipated via the heat sink is W and thus this condition can be present continuously without the semiconductor switch being destroyed. This means that the invention relates to the short circuit case.
Bei diesem Vorgehen ist die Induktivität L des abzuschalten den Lastkreises und die durch den Halbleiterschalter zerstö rungsfrei aufnehmbare Energie WZUL zu berücksichtigen. WZUL kann entweder aus dem Datenblatt des Halbleiterschalters ent nommen werden oder aus der zulässigen maximalen Halbleiter temperatur, die auf der Grundlage einer u. U. adiabatischen Erwärmung abgeschätzt werden kann.In this procedure, the inductance L of the load circuit to be switched off and the energy W ZUL which can be absorbed by the semiconductor switch in a non- destructive manner must be taken into account. W ZUL can either be taken from the data sheet of the semiconductor switch or from the permissible maximum semiconductor temperature, which is based on a u. U. adiabatic warming can be estimated.
Claims (6)
- a) Der über den Halbleiterschalter fließende Strom (IC) wird gemessen und ausgewertet und
- b) bei Erreichen eines vorher bestimmten Auslösewerts infolge eines Überstroms wird die Gate-Emitter-Spannung (UGE) und damit der Sättigungsstrom (ICsat) über den Halbleiterschal ter durch eine Steuerung (S) soweit verringert, dass im Halbleiterschalter die durch die Verlustleistung zugeführ te Wärme (V) so gering ist, dass sie gleich oder kleiner als das Wärmeableitvermögen (Wa) des Kühlkörpers ist.
- a) The current flowing through the semiconductor switch (I C ) is measured and evaluated and
- b) when a predetermined trigger value is reached as a result of an overcurrent, the gate-emitter voltage (U GE ) and thus the saturation current (I Csat ) via the semiconductor switch are reduced by a controller (S) to such an extent that in the semiconductor switch the power dissipated supplied heat (V) is so low that it is equal to or less than the heat dissipation capacity (Wa) of the heat sink.
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| DE2001118743 DE10118743A1 (en) | 2001-04-17 | 2001-04-17 | Overcurrent protection for controllable semiconductor switch with heat-sink, reduces gate-emitter voltage until heat generated is less than thermal capacity of heat-sink |
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| DE2001118743 DE10118743A1 (en) | 2001-04-17 | 2001-04-17 | Overcurrent protection for controllable semiconductor switch with heat-sink, reduces gate-emitter voltage until heat generated is less than thermal capacity of heat-sink |
Publications (1)
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| DE10118743A1 true DE10118743A1 (en) | 2002-10-24 |
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| DE2001118743 Ceased DE10118743A1 (en) | 2001-04-17 | 2001-04-17 | Overcurrent protection for controllable semiconductor switch with heat-sink, reduces gate-emitter voltage until heat generated is less than thermal capacity of heat-sink |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE10330285A1 (en) * | 2003-07-04 | 2004-10-28 | Siemens Ag | Protection circuit, especially for an electronic switch or dimmer, has both overload and short-circuit monitoring, evaluation and shut-off devices |
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2001
- 2001-04-17 DE DE2001118743 patent/DE10118743A1/en not_active Ceased
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